SpaceX and NASA could take a tentative step toward orbital refueling on the next test flight of Starship, but the US space agency says officials haven't made a final decision on when to begin demonstrating cryogenic propellant transfer capabilities that are necessary to return astronauts to the Moon.

SpaceX, похоже, готовится провести, по крайней мере, предварительное испытание по перекачке топлива в следующем году. SpaceX и НАСА могут сделать предварительный шаг к орбитальной дозаправке во время следующего испытательного полета Starship, но космическое агентство США заявляет, что официальные лица еще не приняли окончательного решения о том, когда начать демонстрацию возможностей транспортировки криогенного топлива, необходимого для возвращения астронавтов на Луну.

NASA is keen on demonstrating orbital refueling technology, an advancement that could lead to propellant depots in space to feed rockets heading to distant destinations beyond Earth orbit. In 2020, NASA announced agreements with four companies—Lockheed Martin, United Launch Alliance, SpaceX, and a Florida-based startup named Eta Space—to prove capabilities in the area of refueling and propellant depots using cryogenic propellants.

НАСА заинтересовано в демонстрации технологии орбитальной дозаправки — достижения, которое может привести к созданию в космосе складов топлива для питания ракет, направляющихся в отдаленные пункты назначения за пределами околоземной орбиты. В 2020 году НАСА объявило о соглашениях с четырьмя компаниями — Lockheed Martin, United Launch Alliance, SpaceX и стартапом из Флориды Eta Space — о подтверждении возможностей в области дозаправки и складов топлива с использованием криогенного топлива.

These cryogenic fluids—liquid hydrogen, methane, and liquid oxygen—must be kept at temperatures of several hundred degrees below zero, or they turn into a gas and boil off. Russian supply freighters regularly refuel the International Space Station with hydrazine and nitrogen tetroxide, room-temperature rocket propellants that can be stored for years in orbit, but rockets using more efficient super-cold propellants have typically needed to complete their missions within hours.

Эти криогенные жидкости — жидкий водород, метан и жидкий кислород — необходимо хранить при температуре в несколько сотен градусов ниже нуля, иначе они превратятся в газ и выкипят. Российские грузовые корабли регулярно дозаправляют Международную космическую станцию ​​гидразином и четырехокисью азота, ракетным топливом при комнатной температуре, которое может храниться на орбите годами, но ракетам, использующим более эффективное сверххолодное топливо, обычно требуется завершить свою миссию в течение нескольких часов.

NASA and industry engineers want to extend this lifetime to days, weeks, or months, but this requires new technologies to maintain the propellants at cryogenic temperature and, in some cases like Starship, to transfer the propellants from one vehicle to another.

Инженеры НАСА и отраслевые инженеры хотят продлить этот срок службы до дней, недель или месяцев, но для этого нужны новые технологии для поддержания топлива при криогенной температуре и, в некоторых случаях, как в Starship, для передачи топлива с одного транспортного средства на другое.

NASA and several companies are funding efforts in this area, called cryogenic fluid management. NASA's agreements from 2020 committed more than $250 million in government funding for cryogenic fluid management tests in space. These funding agreements announced in October 2020, called "Tipping Point" awards, require substantial private funding from the companies participating in the demonstrations.

НАСА и несколько компаний финансируют усилия в этой области, называемой «управление криогенными жидкостями». В соответствии с соглашениями НАСА от 2020 года было выделено более 250 миллионов долларов на государственное финансирование испытаний обращения с криогенной жидкостью в космосе. Эти соглашения о финансировании, объявленные в октябре 2020 года и получившие название «Переломный момент», требуют значительного частного финансирования от компаний, участвующих в демонстрациях.

According to John Dankanich, who leads NASA's efforts in developing new capabilities for in-space transportation, there are "major technical obstacles" for cryogenic fluid management. The real challenge, he said, will be in validating things like automated couplers, flow meters, and advanced insulation all work together in microgravity. These, along with other technologies, are "highly interdependent" on one another to make cryogenic refueling a reality, he said.

По словам Джона Данканича, который возглавляет усилия НАСА по разработке новых возможностей для космических перевозок, существуют «серьезные технические препятствия» для управления криогенными жидкостями. По его словам, настоящая задача будет заключаться в проверке таких вещей, как автоматические соединители, расходомеры и усовершенствованная изоляция, которые работают вместе в условиях микрогравитации. По его словам, они, наряду с другими технологиями, «сильно взаимозависимы» друг от друга, что делает криогенную дозаправку реальностью.

Individual technologies necessary for in-orbit cryogenic refueling are at a stage of development where they are "ready now to go into flight systems," Dankanich said, either with a demonstration in space or on an operational spacecraft.

Отдельные технологии, необходимые для криогенной дозаправки на орбите, находятся на стадии разработки, и они «теперь готовы к использованию в летных системах», сказал Данканич, либо с демонстрацией в космосе, либо на действующем космическом корабле.

First, small steps

By the fourth anniversary of those awards, only SpaceX appears to have a chance to complete the tasks outlined in its "Tipping Point" award, valued at $53 million.

This test would involve transferring super-cold propellant from one tank to another inside a Starship spacecraft. It's a precursor to future, more complex demonstrations involving two giant Starships docked together in Earth orbit. Then SpaceX will be ready to send a Starship toward the Moon for a test landing without astronauts onboard. Once that is successful, NASA will clear Starship for a crew landing on the agency's Artemis III mission, marking the astronauts' return to the lunar surface for the first time since 1972.

Сначала маленькие шаги. К четвертой годовщине этих наград только у SpaceX, похоже, есть шанс выполнить задачи, изложенные в награде «Переломный момент», оцениваемой в 53 миллиона долларов. Это испытание будет включать в себя перекачку сверххолодного топлива из одного резервуара в другой. внутри космического корабля Starship. Это предшественник будущих, более сложных демонстраций с участием двух гигантских звездолетов, состыкованных на околоземной орбите. Тогда SpaceX будет готова отправить звездолет к Луне для пробной посадки без астронавтов на борту. Как только это будет успешным, НАСА разрешит Starship для высадки экипажа в рамках миссии агентства «Артемида III», что ознаменует возвращение астронавтов на поверхность Луны впервые с 1972 года.

That's easier said than done; all worthy projects require a first step. That could happen as soon as the next full-scale test flight of SpaceX's gigantic Super Heavy booster and Starship rocket, a stainless steel launcher that stands nearly 400 feet (121 meters) tall. SpaceX has flown the rocket twice, most recently on November 18, when the Starship upper stage reached space for the first time before self-destructing just short of orbital velocity. This test flight was largely successful, achieving several key milestones such as stage separation and demonstrating improved reliability of the rocket's methane-fueled Raptor engines.

Это легче сказать, чем сделать; все достойные проекты требуют первого шага. Это может произойти, как только состоится следующий полномасштабный испытательный полет гигантской ракеты-носителя Super Heavy и ракеты Starship от SpaceX, пусковой установки из нержавеющей стали высотой почти 400 футов (121 метр). SpaceX дважды запускала ракету, последний раз 18 ноября, когда верхняя ступень звездолета впервые достигла космоса, а затем самоуничтожилась, едва достигнув орбитальной скорости. Этот испытательный полет был в целом успешным: было достигнуто несколько ключевых этапов, таких как разделение ступеней и демонстрация повышенной надежности двигателей Raptor, работающих на метане.

SpaceX has a $2.9 billion contract with NASA to provide a commercial Human Landing System (HLS) derived from Starship for the Artemis III mission, the first human landing mission planned during NASA's Artemis program. The readiness of the Starship landing craft and new commercial spacesuits are widely seen as drivers of the schedule for Artemis III, which is at risk of a delay from late 2025.

SpaceX заключила с НАСА контракт на сумму 2,9 миллиарда долларов на поставку коммерческой системы высадки человека (HLS), созданной на базе Starship, для миссии «Артемида III», первой миссии по высадке человека, запланированной в рамках программы НАСА «Артемида». Готовность десантного корабля Starship и новых коммерческих скафандров широко рассматривается как фактор, определяющий график запуска Артемиды III, который рискует быть отложен с конца 2025 года.

Lakiesha Hawkins, deputy associate administrator for NASA's Moon to Mars program office, discussed the Artemis schedule Monday with a committee from the National Academies charged with reviewing the agency's workforce, infrastructure, and technology programs.

Лакиша Хокинс, заместитель помощника администратора офиса программы НАСА от Луны до Марса, обсудила график «Артемиды» в понедельник с комитетом национальных академий, которому поручено проверять кадровые, инфраструктурные и технологические программы агентства.

Hawkins did not verbally address SpaceX's plans for the next Starship test flight, but one of her slides noted SpaceX is "moving quickly" toward the third Super Heavy/Starship launch, and that this flight "will include a propellant transfer demonstration."

Хокинс не рассказала устно о планах SpaceX относительно следующего испытательного полета Starship, но на одном из ее слайдов отмечалось, что SpaceX «быстро движется» к третьему запуску Super Heavy/Starship, и что этот полет «будет включать демонстрацию передачи топлива».

However, Jimi Russell, a NASA spokesperson, suggested to Ars this is still only a possibility. When it does happen, the tank-to-tank propellant transfer within Starship will demonstrate moving 10 metric tons of liquid oxygen, according to the 2020 Tipping Point award terms. SpaceX is collaborating with NASA's Glenn Research Center and Marshall Space Flight Center on the demonstration.

Однако Джими Рассел, представитель НАСА, предположил Ars, что это пока лишь вероятность. Когда это действительно произойдет, передача топлива из бака в бак внутри Starship продемонстрирует перемещение 10 метрических тонн жидкого кислорода, согласно условиям премии «Переломный момент 2020 года». SpaceX сотрудничает с Исследовательским центром Гленна НАСА и Центром космических полетов Маршалла в проведении демонстрации.

"NASA and SpaceX are reviewing options for the demonstration to take place during an integrated flight test of Starship and the Super Heavy rocket," Russell said in a  statement. "However, no final decisions on timing have been made."

«НАСА и SpaceX рассматривают варианты проведения демонстрации во время комплексных летных испытаний Starship и ракеты Super Heavy», — говорится в заявлении Рассела. «Однако никаких окончательных решений по срокам принято не было».

Elon Musk, the company's founder and CEO, said on November 19 that hardware for the next Super Heavy/Starship test should be ready in three to four weeks. That projection seems dubious because SpaceX hasn't moved any pieces of the rocket to the launch pad for pre-flight testing, but a test flight early next year appears realistic.

Илон Маск, основатель и генеральный директор компании, заявил 19 ноября, что оборудование для следующего испытания Super Heavy/Starship должно быть готово через три-четыре недели. Этот прогноз кажется сомнительным, поскольку SpaceX не переместила ни одну часть ракеты на стартовую площадку для предполетных испытаний, но испытательный полет в начале следующего года кажется реалистичным.

Other factors that could play into the Starship launch schedule include tune-ups or fixes to resolve problems that occurred on the November 18 test flight and receiving a new launch license from the Federal Aviation Administration.

Другие факторы, которые могут повлиять на график запуска Starship, включают настройки или исправления для решения проблем, возникших во время испытательного полета 18 ноября, и получение новой лицензии на запуск от Федерального управления гражданской авиации.

When SpaceX tries transferring 10 metric tons of propellant from tank to tank inside Starship, it will be at a scale never before attempted in space. But it's a small fraction of the amount of fuel and oxidizer needed to fill a Starship spacecraft in orbit. The ship's total propellant capacity is some 1,200 metric tons. After the tank-to-tank demonstration, SpaceX will attempt a ship-to-ship propellant transfer between two Starships linked together in Earth orbit.

Когда SpaceX попытается переместить 10 метрических тонн топлива из бака в бак внутри Starship, это будет в масштабах, никогда ранее не предпринимавшихся в космосе. Но это лишь малая часть того количества топлива и окислителя, которое необходимо для наполнения космического корабля Starship на орбите. Общий запас топлива корабля составляет около 1200 тонн. После демонстрации «танк-танк» SpaceX предпримет попытку передачи топлива с корабля на корабль между двумя звездолетами, связанными на околоземной орбите.

"That’s really when we start maturing the systems, and when it really gets exciting for HLS, because those are the building blocks that we need and, frankly, it’s never been done successfully in orbit," said Lisa Watson-Morgan, NASA's HLS program manager, in an interview with Ars last month.

«Именно тогда мы начинаем совершенствовать системы, и тогда это становится действительно интересным для HLS, потому что это те строительные блоки, которые нам нужны, и, честно говоря, это никогда не было успешно реализовано на орбите», — сказала Лиза Уотсон-Морган, представитель программы HLS НАСА. менеджер в интервью Ars в прошлом месяце.

This discussion of propellant transfer leaves out critical work on Starship's life support system needed to accommodate crews on the lunar surface. SpaceX also needs to move forward with more Raptor engine testing, but the company recently completed a ground test to confirm it can reignite a Raptor engine in the extreme cold conditions resulting from extended time in space. SpaceX has also completed Raptor test-firings at different throttle settings to simulate how the engines must perform during a descent burn to reach the lunar surface.

Это обсуждение передачи топлива не учитывает критически важную работу над системой жизнеобеспечения звездолета, необходимой для размещения экипажей на поверхности Луны. SpaceX также необходимо продолжить испытания двигателей Raptor, но недавно компания завершила наземные испытания, чтобы подтвердить, что она может повторно запустить двигатель Raptor в экстремально холодных условиях, вызванных длительным пребыванием в космосе. SpaceX также завершила испытательные запуски Raptor при различных настройках дроссельной заслонки, чтобы смоделировать, как двигатели должны работать во время спуска, чтобы достичь поверхности Луны.

Others in the running

Другие в бегах

The other companies working with NASA on cryogenic fluid management are still at least a couple of years away from any meaningful flight demonstrations.

Остальным компаниям, работающим с НАСА над управлением криогенными жидкостями, до каких-либо значимых демонстрационных полетов еще предстоит пройти как минимум пару лет.

Lockheed Martin's demo, expected to use liquid hydrogen, is scheduled for 2025 and will test 15 key cryo fluid management technologies. Eta Space is developing a small-scale fuel depot to demonstrate long-duration cryogenic storage of liquid oxygen for nine months. This mission, known as LOXSAT, is scheduled to launch with Rocket Lab in 2025, according to Dankanich.

Демонстрация Lockheed Martin, в которой, как ожидается, будет использоваться жидкий водород, запланирована на 2025 год и будет тестировать 15 ключевых технологий управления криожидкостью. Eta Space разрабатывает небольшой склад топлива, чтобы продемонстрировать длительное криогенное хранение жидкого кислорода в течение девяти месяцев. По словам Данканича, эту миссию, известную как LOXSAT, планируется запустить вместе с Rocket Lab в 2025 году.

Liquid hydrogen is the smallest molecule and needs to be stored at colder temperatures than methane or liquid oxygen. It is the most efficient rocket fuel in common use, but is prone to leaks.

Жидкий водород — самая маленькая молекула, и его необходимо хранить при более низких температурах, чем метан или жидкий кислород. Это наиболее эффективное ракетное топливо из существующих, но оно склонно к утечкам.

United Launch Alliance is working on a liquid hydrogen/liquid oxygen "smart propulsion cryogenic system" on a Vulcan Centaur upper stage, testing precise tank pressure control, tank-to-tank transfer, and multi-week propellant storage, according to NASA. Dankanich said Monday ULA's flight demonstration is scheduled for 2026.

По данным НАСА, United Launch Alliance работает над «умной криогенной двигательной системой» на жидком водороде и жидком кислороде на верхней ступени Vulcan Centaur, тестируя точный контроль давления в баках, перекачку из бака в бак и многонедельное хранение топлива. Данканич сообщил в понедельник, что демонстрация полета ULA запланирована на 2026 год.

Like Starship, Blue Origin's human-rated lunar lander for Artemis will rely on orbital refueling but with liquid hydrogen. Blue Origin's approach to cryogenic fluid management involves actively controlling the temperature of liquid hydrogen using cryocoolers, while SpaceX is using passive thermal control on Starship.

Как и Starship, лунный посадочный модуль Blue Origin для «Артемиды» будет опираться на орбитальную дозаправку, но жидким водородом. Подход Blue Origin к управлению криогенной жидкостью предполагает активный контроль температуры жидкого водорода с помощью криорекулеров, в то время как SpaceX использует пассивный термоконтроль на Starship.

Dankanich said Blue Origin plans "multiple interim demonstrations" with its cryogenic systems before its lander is certified to carry astronauts to the Moon's surface, but he didn't offer a schedule for those flight tests leading up to Blue Origin's first human landing mission, slated for no sooner than 2029.

Данканич сказал, что Blue Origin планирует «множественные промежуточные демонстрации» своих криогенных систем, прежде чем его посадочный модуль будет сертифицирован для доставки астронавтов на поверхность Луны, но он не предложил график этих летных испытаний, которые приведут к первой миссии Blue Origin по высадке человека, запланированной не ранее 2029 года.

Aside from technical hurdles, Dankanich said there's another potential barrier to widespread advancements in cryogenic refueling and propellant depots. For most of the tech demos, NASA is partnering with companies on a cost-sharing basis, reducing the cost to taxpayers. NASA would like to use data from the demonstrations to provide "ground truth" for models to predict the behavior of cryogenic fluids in space. Because NASA is a government agency, these models would be available to a broad cross-section of researchers and engineers.

Помимо технических препятствий, Данканич сказал, что существует еще один потенциальный барьер на пути широкого прогресса в области криогенной заправки и хранения топлива. Для большинства технологических демонстраций НАСА сотрудничает с компаниями на основе разделения затрат, снижая затраты налогоплательщиков. НАСА хотело бы использовать данные демонстраций, чтобы предоставить «основные данные» для моделей, позволяющих прогнозировать поведение криогенных жидкостей в космосе. Поскольку НАСА является правительственным агентством, эти модели будут доступны широкому кругу исследователей и инженеров.

Under the terms of these public-private partnerships, industry retains ownership, and these companies may consider details about their technology proprietary, limiting NASA's ability to share lessons learned with academic institutions or other outside groups.

По условиям этого государственно-частного партнерства промышленность сохраняет за собой право собственности, и эти компании могут рассматривать детали своей собственной технологии, что ограничивает способность НАСА делиться полученными уроками с академическими учреждениями или другими внешними группами.

“In some cases, we can't force them to even instrument the systems in the way that we need them instrumented in order to get the data that we would need to validate," Dankanich said. "If they're willing to provide the telemetry that we need, then we may, on the NASA side, be able to get some of that information. But we can't disclose the design details or the specifics to the community, which is necessary for model validation.

«В некоторых случаях мы не можем заставить их даже оснастить системы так, как нам нужно, чтобы получить данные, которые нам нужно будет проверить», — сказал Данканич. «Если они готовы предоставить телеметрия, которая нам нужна, тогда мы, со стороны НАСА, сможем получить часть этой информации. Но мы не можем раскрывать детали конструкции или особенности сообществу, что необходимо для проверки модели.

"Data right restrictions are a big challenge with the way that we're procuring all of our cryogenic fluid management systems," Dankanich said. "At the same time, the outlook is pretty good, right? We do have the SpaceX large-scale cryo settling propellant transfer planned for next year."

«Ограничения прав на данные являются серьезной проблемой при закупках всех наших систем управления криогенными жидкостями», — сказал Данканич. «В то же время перспективы довольно хорошие, не так ли? На следующий год у нас запланирована крупномасштабная передача топлива криоосаждения SpaceX».